王定彰，熊英
（馬鋼股份公司設計研究院環保所，馬鞍山 243000）

　　摘要：在高層建筑分區消火給水系統中，采用減壓閥組技術，可滿足各分區不同壓力的需求，取消中間水箱，較好地解決消防過程中的超壓問題。
　　關鍵詞：高層建筑；消防；減壓閥；消火栓
　　中圖分類號：TU998.13
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009-2455（2000）04-0043-03

前言

　　我國目前高度在80～100m之間的建筑占有較大比例，對于這類建筑，為了保證最不利消火栓水壓的要求，消防水泵需提供較高的供水壓力，從而導致低層部分供水壓力偏高，下部消火栓超壓。解決這個問題的方法有多種，通常多采用分區供水方式^[1]。分區供水的方式亦有多種，如并聯分區、串聯分區方式及無水箱供水方式。并聯分區與串聯分區方式皆需設置高位水箱和中間水箱，這會加大結構荷載，占用寶貴的建筑主體面積，且增加造價。無水箱并聯供水方式雖然取消陽光箱，但由于各分區皆分別設置了獨立的消防水泵，因而需要較大的泵房面積。這三種方式在分區交界處樓層發生火災時，上下兩分區的消防泵均需同時啟動，因而需要較高的電機裝機容量。基于上述問題，筆者認為：采用減壓閥對高層消火栓給水系統進行分區是一種經濟、合理的供水分區方式。

1　消火栓給水系統分區減壓閥的選擇

　　《高層民用建筑設計防火規范》中規定：消火栓給水系統中消火栓栓口的靜壓不小于0.80MPa^[2]，當消火栓栓口出水壓力大0.50MPa^[2]時，消火栓出口處應設減壓裝置。在高層建筑中，消火栓給水系統的消防水泵是根據規范，按建筑物類別和建筑高度選定其流量和揚程。消防系統設計、施工、驗收完畢交與管理者后，為維護系統在有火警時能及時、正常投入使用，管理者必須按照有關規定對消火栓給水系統進行定期試運行。在系統試運行或火災初始時，因為開啟的消火栓數量少或僅為一支槍，這就產生了因消防水泵能力過大而引起系統的超壓。為了使設計既滿足規范的相關要求，同時又盡量避免消火栓系統在上述情況下的超壓發生，選擇合適的減壓閥，設計者應當予以充分重視。圖１是使用減壓閥的高層消火栓給水系統圖式。
　　常用的減壓閥按結構形式分為薄膜式、彈簧式和活塞式三種，按作用形式分為：比例式和定壓式。定壓式減壓閥中有一種既減動壓，又減靜壓，且閥前壓力可任其變化，而閥后壓力可穩定在所需壓力的減壓穩壓閥。消火栓給水系統當采用減壓閥進行給水分區時，為滿足規范中關于消火栓栓口的靜、動壓的要求，筆者認為此時宜采用既能減動壓又能減靜壓、且還具有穩壓作用的可調式薄膜減壓閥。

2　可調式薄膜減壓閥工作原理

2.1　靜壓減壓工作原理
　　可調式薄膜減壓閥構造如圖2示
　　當下游不用水(Q=0)時，減壓閥處于靜壓狀態，其中心閥瓣活動體受力為：
　　彈簧對隔膜的作用力:Fs↓
　　出口壓強P₂作用在隔膜上的作用力：F₂=P₂·S₂↑
　　出口壓強P₂作用在閥瓣上的作用力：F₃=P₂^.S₁↑
　　進口壓強P₁作用在閥瓣上的作用力：F₁=P₁^.S₁↓
　　閥口周邊對閥瓣的反作用力:N(下降，開啟后N變為0)
　　列平衡方程:F₂+F₃=F_s+N+F₁
　　即:P₂(S₂+S₁)=Fs+N+P₁^.S₁
　　方程中，S1、S2為常數，Fs調定后也為一定數。因此在閥門關閉前，當上游壓強P₁處于某一定值，隨著下游P₂增加到設定值(此值可通過彈簧預先調定)時，閥瓣與閥口接觸。將產生N力(N大小以保證閥口關閉為限)時，使閥口保持關閉狀態；反之當P₂降低時，因水力作用，閥口自動打開，從而保證下游P₂不受上游P₁影響，而維持一個穩定的壓力值。只要正確選定S₂和S₁，并調定Fs，即可確定P₂值的大小及其與P₁的關系，這就是所謂的減靜壓原理。
　　從上述的工作原理看，通常所說的“減靜壓”從嚴格意義上來說是不準確的，因為“減”字含有能量損失之意，而在上述靜止狀態下并無能量損失。因此，實際上這種減壓閥減靜壓是利用水力平衡原理使減壓閥處于關閉狀態來隔斷上下游聯系并維持(或控制)一個較低的、穩定的下游壓力值，而不同于比例式減壓閥由閥門的結構參數決定其減靜壓的比例。
2.2　動壓減壓工作原理
　　由靜壓狀態列平衡方程：
　　P₂(S₂+S₁)=F₂+N+P₁.S₁
　　知：當下游用水Q＞0時，下游壓力P₂將下降，而上游P₁仍為一定數，因此Ｎ將減少至消失，減壓閥開啟，由此得到動態減壓狀態下的力平衡(積分)方程(假定P₁與P₂分界線仍為閥口圓周)：
　　P₂(S₂+S₁)=Fs+P₁.S₁

　　在此狀況下，取上游水流斷面A1-A1和下游水流斷面A2-A2列出能量方程：
　　H₁+P₁/γ+V₁²/2g=H₂+P₂/γ+V₂²/2g+∑h
　　上式中：H₁=H₂，V₁=V_2?此入、出口流速≤閥口流速?

　　從圖3可以看出，在減壓閥開啟狀態下，減壓閥的壓力損失主要是在閥口過流斷面處，水流通過閥口從圓周縫隙向外流，產生了能量的損失。減壓閥所減的壓力即是水流通過減壓閥口所造成的能量損失。因此，動壓減壓原理是使減壓閥處于一個能量損失過流件的狀態。對減壓閥而言，該縫隙是自動可調的，不像減壓孔板那樣(孔口固定不變)，這也是可調式減壓閥的可調之處，也是在使用減壓閥時，設定的閥前、閥后壓力并不可過大的原因。
2.3　閥后壓力P₂隨閥前壓力P₁變化關系
　　由動壓減壓平衡方程式：P₂(S₂+S₁)=Fs+P₁.S₁
　　得：P₂=S₁/(S₁+S₂).P₁+Fs/(S₁+S₂)
　　因：Fs=kx
　　式中：k—彈簧彈性模量
　　　　　x—彈簧的位移
　　故:P₂=S₁/(S₁+S₂).P₁+kx/(S₁+S₂)
　　兩邊取微分:△P₂=S₁/(S₁+S₂)^.△P₁+k/(S₁+S₂)△x
　　∵P₁、P₂變化△P₁、△P₂時，△x很小
　　∵S₂≥S₁　　∴值很小，實際上大約為8%。即△P₂＝△P₁×8%
　　即閥前P₁變化△P₁后，閥后P₂的變化只有0.08△P₁。
　　由此可見：閥前壓力P₁變化對閥后壓力P₂影響很小，穩壓效果明顯，減壓閥實際上又起到了穩壓閥的作用。

3　減壓閥使用方法

　　由上述對薄膜式減壓閥工作原理的分析可知，此種減壓閥具有穩定的靜、動壓減壓效果和較明顯的穩壓效果。但使用時也應注意：對于較大減壓比如超過5:1場合，為了減輕每個閥的負擔，減輕閥內氣蝕和磨損，延長使用壽命，宜采用兩個減壓閥串聯減壓；對于流量變化較大的場合，宜采用雙閥并聯，這樣可使每個減壓閥處于合適的流量負載狀態，避免噪音；薄膜式減壓閥宜水平安裝。對于并聯使用的減壓閥閥組，宜采用不同的口徑，并正確設定不同的閥后壓力，以使兩個閥門根據流量由小到大(由正常到高峰)先后投入使用。在一些資料中較少有并聯閥組閥后壓力設定的介紹，為方便讀者，下面就介紹一個并聯閥組閥后壓力的設定。

　　圖4為不同口徑的減壓閥并聯使用時的圖式，圖5為DN65和DN100閥后壓降與流量關系曲線。首先來分析一下并聯閥組的運行工況。
　　當Q≤45m³/h時,P_22set＜P₂＜P_21set，小閥DN65關閉，只有DN100開啟，此時Q＝Q1，全部流量由大閥承擔。
　　當Q＞45m³/h時,P₂＜P_22set，小閥DN65開啟投入使用。Q＝Q1+Q2，全部流量由二閥共同承擔。
　　此時減壓閥組流通能力提高，其合成曲線更加平穩，閥后偏移壓降減小，噪音降低，是較理想的工作狀況。注意：并聯時二閥設定壓力差值
　　△P_2set＝△P_21set- P_22set以0.02～0.05MPa為合適，并參考各減壓閥具體曲線來設定。

4　結語

　　消火栓給水系統需要進行分區時，宜采用具有減壓穩壓功能的減壓閥；當減壓閥組閥前后壓差過大時，宜采用串聯使用方式，當閥組后流量變化大時，宜采用不同口徑的減壓閥并聯使用方式，且需合理設定兩閥的閥后壓差；薄膜式減壓閥宜水平安裝。
　　由于減壓閥的獨特性能，它還可以廣泛應用于較大工廠的廠區消防給水系統中。

參考文獻：
　　[1]錢維生．高層建筑給水排水工程[M]．上海：同濟大學出版社，1989．
　　[2]GB 50045-95,層民用建筑設計防火規范[S]．

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作者簡介：
　　王定彰(1966-)，男，工程師；
　　熊英　(1965-)，女，工程師。